Real-time Global Photon Mapping: Adapting Global Illumination to Dynamic Environments in Real-time

Abstract

The focus of this thesis is to provide better methods to simulate the behaviour of light in synthesis of photo-realistic images for real-time applications. Improvements introduced in this work are related to indirect component of the illumination, also known as global illumination, in which the contributed light has already been reflected from surface at least once.

While there are a number of effective global illumination techniques based on precomputation that work well with static scenes, including global illumination for scenes with dynamic lighting and dynamic geometry remains a challenging problem. In this thesis, we describe a real-time global illumination algorithm based on photon mapping that evaluates several bounces of indirect lighting without any precomputed data in scenes with both dynamic lighting and fully dynamic geometry.

To make photon mapping possible within the performance limitations of the real-time rendering, we utilize and expand on several optimization methods, such as reflective shadow maps, stratified sampling and Russian Roulette. Furthermore, we introduce an improved distribution kernel for the screen space irradiance estimation of the photon mapping. Finally, we present a new filtering solution for photon mapping.

Opinnäytetyön painopisteenä on tarjota parempia menetelmiä valon käyttäytymisen simuloimiseksi reaaliaikaisten sovelluksien realistisessa kuvasynteesissä. Tässä työssä esitetyt parannukset liittyvät valaistuksen epäsuoraan komponenttiin, (tunnetaan myös globaalina valaistuksena), jossa valo on kulkenut ainakin yhden pintaheijastuksen kautta.

On olemassa tehokkaita globaaleja valaistustekniikoita, jotka perustuvat ennakkotietoon. Nämä tekniikat toimivat hyvin staattisten ympäristöjen kanssa, mutta dynaamisen valaistusta ja geometriaa ympäristöt ovat edelleen haastava ongelma. Tässä opinnäytetyössä kuvataan reaaliaikainen globaali valaistusalgoritmi, joka perustuu fotonikartoitukseen ja jossa arvioidaan useita epäsuoran valaistuksen askelmia ilman ennalta laskettua.

Jotta fotonikartoitus olisi mahdollista reaaliaikaisen renderoinnin suorituskyvyn määrittämissä rajoitteissa, käytämme useita optimointimenetelmiä, kuten heijastavia varjo-karttoja, kerrostettuja näytteitä ja venäläistä rulettia. Lisäksi esitämme parannetun distribuutiokernelin fotonikartoituksen säteilytysvoimakkuuden estimoinnille. Lopuksi esitämme uuden suodatusratkaisun fotonikartoitukseen.